Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Plasmonische Trapping en het vrijkomen van nanodeeltjes in een Monitoring Milieu

Published: April 4, 2017 doi: 10.3791/55258
Automatic Translation
1, 2
1Division of Scientific Instrumentation, Korea Basic Science Institute (KBSI), 2School of Mechanical Engineering, Gwangju Institute of Science and Technology (GIST)

Summary

Een microchip fabricageproces dat plasmonische pincet opgenomen wordt hier gepresenteerd. De microchip maakt het afbeelden van een gevangen deeltje trapping maximale krachten meten.

Abstract

Plasmonische pincet gebruiken surface plasmon polaritonen om polariseerbare nanoschaal objecten beperken. Onder de verschillende ontwerpen van plasmonische pincet, kan slechts een paar geïmmobiliseerde deeltjes observeren. Bovendien zijn een beperkt aantal studies experimenteel gemeten exertable krachten op de deeltjes. De ontwerpen kunnen worden aangemerkt als de uitstekende soort nanodisk of de onderdrukte nanohole type. Voor deze laatste, microscopische observatie is zeer uitdagend. In dit artikel wordt een nieuw plasmonische pincet ingevoerde deeltjes, die beide in richtingen parallel en loodrecht op de symmetrieas van een plasmon nanohole structuur. Deze functie maakt het mogelijk om de beweging van elk deeltje observeren nabij de rand van de nanohole. Bovendien kunnen we kwantitatief schatten de maximale vangst krachten met behulp van een nieuwe vloeistofkanaal.

Introduction

De mogelijkheid om microschaal objecten te manipuleren is een onmisbare functie voor veel micro / nano-experimenten. Direct contact manipulaties kunnen de gemanipuleerde objecten beschadigen. Het loslaten van de eerder gehouden voorwerpen is ook een uitdaging vanwege stiction problemen. Om deze problemen te overwinnen, verschillende indirecte werkwijzen waarbij fluïdische 1, 2 elektrische, magnetische 3 of fotonische krachten 4, 5, 6, 7, 8 voorgesteld. Plasmpnische trekker waarmee fotonische krachten gebruiken zijn gebaseerd op de fysische buitengewone veldversterking verscheidene orden groter is dan de invallende intensiteit 9. Deze uiterst sterke veld enhancement maakt het vangen van extreem kleine nanodeeltjes. Zo is aangetoond immobiliseren en te manipuleren nanoschaalvoorwerpen, zoals polystyreendeeltjes 7, 10, 11, 12, 13, 14, 15 polymeerketens, 16 eiwitten, quantum dots 17 en DNA-moleculen 8, 18. Zonder plasmonische pincet, is het moeilijk te controleren nanodeeltjes omdat ze snel verdwijnen voordat ze daadwerkelijk zijn onderzocht of omdat ze beschadigd door de hoge intensiteit van de laser.

Vele plasmonische studies hebben gebruik gemaakt van verschillende nanoschaal goud structuren. We kunnen de goudstructuren indelen als uitstekende nanodisk types 12, 13, 14, 15, 19 20, 21 of onderdrukt nanohole types 7, 8, 10, 11, 22, 23. Qua beeldvorming gemak typen nanodisk zijn geschikter dan de soorten nanohole omdat in het laatste geval kan de goudsubstraten de waarnemingsoverzicht belemmeren. Bovendien is de plasmonische trapping optreedt nabij het plasmonische structuur en maakt waarneming nog lastiger. Om het beste van onze kennis, werd plasmonische trapping op nanohole types alleen geverifieerd met behulp van indirecte verstrooiing signalen. Er zijn echter geen succesvolle directe waarnemingen, zoals microscopische beelden, zijn gemeld. Er zijn maar weinig studies hebben de positie van de gevangen deeltjes beschreven. Een voorbeeld van zo'n resultaat werd gepresenteerd door Wang et al. Creëerden ze een gouden pilaar op een gouden ondergrond en observeerde de pArtikel beweging met behulp van een fluorescentiemicroscoop 24. Dit is echter alleen effectief voor het bewaken zijwaartse bewegingen niet in de richting parallel aan de bundelas.

In dit artikel introduceren we nieuwe fluidic microchip ontwerp en de fabricage procedures. Met deze chip tonen we de controle op plasmonically ingesloten deeltjes, zowel in richtingen parallel en loodrecht op de plasmonische nanostructuur. Verder meten we de maximale kracht van het geïmmobiliseerde deeltje door verhoging van de fluïdumsnelheid als het kantelpunt snelheid in de microchip vinden. Deze studie is uniek omdat de meeste studies over plasmonische pincet kan niet kwantitatief de maximale trapping krachten die in hun experimentele opstellingen te tonen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Let op: Gelieve al het relevante materiaal veiligheidsvoorschriften voor gebruik. Een aantal van de chemicaliën die worden gebruikt in microchip fabricage zijn acuut giftig en kankerverwekkend. Gelieve gebruik maken van alle passende veiligheidsmaatregelen in acht bij het uitvoeren van de fotolithografie en etsen processen, waaronder het gebruik van technische controles (zuurkast, hete plaat, en aligner) en persoonlijke beschermingsmiddelen (veiligheidsbril, handschoenen, laboratoriumjas, full-length broek, en gesloten -toe schoenen).

1. Fabricage van de PDMS Microchannel

  1. Fabricage van het microkanaal matrijs door de werkwijze photolithograph
    1. Volledig verwijderen van vreemde stoffen op de 4 inch Si-wafel oppervlak met piranha reinigen (figuur 1a). Meng zwavelzuur (H 2 SO 4) en waterstofperoxide (H 2 O 2) in een verhouding van 3: 1 tot Piranha oplossing in de schotel. Meng door geleidelijk toevoegen van kleine hoeveelheden van het sterke zuur (H2O 2 SO 4); omkeren van deze orde kan een explosie veroorzaken vanwege de sterk reactieve sterk zuur.
    2. Dompel het wafeltje piranha-oplossing gedurende 10 min. Vervolgens dompel de wafer in gedeïoniseerd (DI) water gedurende 3 minuten om de resterende piranha-oplossing te verwijderen. Spoel de wafer met stromend gedemineraliseerd water gedurende 10 s. Herhaal wasprocedure 3 keer en droog N2 gas naar de resterende DI verwijderen.
    3. Leg de wafel op een hete plaat gedurende 20 minuten bij 180 ° C op de wafer verder te dehydrateren.
    4. Pour 5 ml van de negatieve fotolak bovenop de wafel en spin-coat gedurende 45 seconden bij 1.500 rpm (figuur 1b); Na spincoating, wordt een fotoresist kraal gemaakt aan de wafelrand vanwege de relatief hoge viscositeit van de fotoresist.
    5. De balans van de fotoresist gecoate wafer door vlakken op een waterpas stand gedurende 5 uur.
    6. Plaats de fotoresist gecoate wafer op een hete plaat gedurende 12 minuten bij 65° C, 35 minuten bij 95 ° C en 12 minuten bij 65 ° C (zacht bakken).
    7. Bevestig de film masker op de maskerhouder en zacht gebakken wafer op het substraatplatform van de uitlijner. Blootstellen aan ultraviolet (UV) licht gedurende 43 s bij 650 mJ / cm2 om de fotoresist stollen.
    8. Plaats de wafer op de hete plaat gedurende 5 minuten bij 65 ° C, 15 minuten bij 95 ° C en 5 minuten bij 65 ° C (na blootstelling bakken).
    9. Dompel de wafer in de fotoresist ontwikkelaar gedurende 30 min uitgeharde fotolak te verwijderen.
    10. Spoel de wafer met isopropylalcohol (IPA) en droog met N2 gas naar de resterende IPA te verwijderen.
  2. Productie van de PDMS microkanaal
    1. Behandel het oppervlak van de wafer en de fotoresist matrijs gedurende 1 minuut bij een vermogen van 200 W onder toepassing van een atmosferisch plasma machine 25; de gasstromen CH4 en hij moet 6 en 30 sccm zijn, respectievelijk. Voer deze hydrofobe behandeling gemakkelijk los het polydimethylsiloxane (PDMS) microkanaal van het oppervlak van de wafer en de fotoresist matrijs (figuur 1c).
    2. Bereid de PDMS oplossing door mengen van de PDMS basis en verharder in een verhouding van 10: 1. Roer het mengsel gedurende 2 min.
    3. Plaatst de wafel in een petrischaaltje (150 mm x 15 mm) en voeg 100 mL van de PDMS oplossing. De bellen die zijn gemaakt van roeren met een exsiccator.
    4. Plaats de petrischaal in de oven gedurende 2 uur bij 80 ° C aan de oplossing PDMS (figuur 1d en h) vast.
    5. Knip langs de contouren van het PDMS microkanaal met een scheermesje en trek het van de wafel; de gefabriceerde PDMS microkanaal dient de volgende afmetingen: 13 mm lang, 300 urn breed en 150 urn hoge (figuren 1 e, f en i).
      Opmerking: twee typen gaten worden geproduceerd door een micropuncture de enkelmodusvezel (SMF) kabel en de buisjes (een inlaatnd uitlaat) van de PDMS microkanaal (Figuur 1g). De SMF kabel wordt gebruikt om de laserbundel naar de nanohole gefreesd op de gouden plaat emitteren. De buis wordt gebruikt om in te voegen / extract het deeltje oplossing van / naar het PDMS microkanaal.
    6. Punctie 1,5 mm inlaat- en uitlaatgaten aan elk uiteinde van het microkanaal PDMS. Doorboren 0,3 mm SMF kabeldoorvoer in het midden van de PDMS microkanaal.

2. Werkwijze etsen van de Gold Plate

  1. Een in de handel verkrijgbaar gouden plaat met afmetingen van 25 x 6,25 mm2 (Figuur 2a).
  2. Verwijder eventuele vreemde stoffen op de gouden plaat met de volgende reiniging procedures. Clean in deze volgorde door onderdompeling in aceton, methanol, en DI-water gedurende 5 minuten elk.
  3. Spoel de gouden plaat 3 keer met DI-water gedurende 10 s en droog de plaat met N2 gas naar de resterende DI water te verwijderen.
  4. Plaats de gouden plaat op een hete plaat voor20 min bij 180 ° C om achtergebleven vocht volledig te verwijderen.
  5. Pour 0,5 ml hexamethyldisilazaan (HMDS) op de gouden plaat en draaien laag gedurende 40 seconden bij 3000 tpm.
  6. Pour 0,5 mL positieve fotolak bovenop de gespincoat HMDS en rotatie laag gedurende 40 seconden bij 3.000 rpm (figuur 2b).
  7. Plaats de fotoresist beklede gouden plaat op de hete plaat gedurende 90 seconden bij 110 ° C (zacht bakken).
  8. Bevestig de film masker op de glazen wafer en plaats de zacht gebakken gouden plaat op het substraatplatform. Blootstellen aan UV licht gedurende 4,5 s bij 64 mJ / cm2 om de fotoresist te lossen.
  9. Dompel de gouden plaat in de fotoresist ontwikkelaar gedurende 1 minuut om de opgeloste fotoresist (figuur 2c) te verwijderen. Spoel de gouden plaat met DI water en droog N2 gas.
  10. Dompel de gouden plaat in de Au etsmiddel gedurende 45 seconden bij een etssnelheid van 28 A / s blootgestelde Au (figuur 2d) te verwijderen. Spoel de gouden plaat met DI water en droge N2 gas.
  11. Dompel de gouden plaat in de Ti etsmiddel gedurende 5 s bij een etssnelheid van 25 A / s blootgestelde Ti (figuur 2e) te verwijderen. Spoel de gouden plaat met DI water en droog N2 gas.
  12. Verwijder de overgebleven fotoresist op de gouden plaat door onderdompeling in aceton, methanol, en DI-water gedurende 3 minuten elk (figuur 2f); Dompel de plaat in de schriftelijke.
  13. Spoel de gouden plaat 3 maal met DI-water gedurende 10 s. Droog met N2 gas aan DI water te verwijderen.
  14. Plaats de gouden plaat op de hete plaat gedurende 3 minuten bij 120 ° C om het vocht volledig te verwijderen; het geproduceerde goud blok moet 400 x 150 pm2 (figuur 2h).
  15. Mill een 400 nm nanohole behulp van een gefocusseerde ionenbundel (FIB) in het midden van de goud blok dat werd vervaardigd na het etsen (figuren 2g en i). Maak een 370-nm cirkel patroon om zich te concentreren op de gouden block een ionen versnellingsspanning van 30 kV bij 28 Pa gedurende 3 s.

3. Montage van de Microchip

  1. Behandel de twee oppervlakken van de PDMS microkanaal en gouden plaat gedurende 1 min aan O2 plasma om ze aan elkaar te bevestigen met een plasmasysteem met een vermogen van 80 W en een druk van 825 mTorr 25.
    LET OP: Het is bijzonder moeilijk om ze in te voegen met precisie, omdat de gouden blok en PDMS microkanaal op de micrometer niveau. Vandaar, gebruik een richter met een camera en een handleiding podium.
  2. Bevestig de glazen wafer die wordt gebruikt om de film masker op het maskerhouder van de uitlijner (figuur 3a) vastmaken.
  3. Bevestig de O2-plasma-behandelde PDMS microkanaal naar het glazen wafer; omdat de PDMS is hydrofiel, zal het gemakkelijk hechten aan de glazen wafer zonder hechting oplossing. Bevestig de gouden plaat op het substraatplatform van de uitlijner (figuur 3a).
  4. Zoek de centra van the SMF kabeldoorvoer en goud blok, die zijn uitgelijnd op dezelfde as, met de camera op de aligner. Til de handmatige fase om de twee delen (figuren 3b en c) combineren.

4. Verbetering van de Microchip Side oppervlakteruwheid PDMS Coating

OPMERKING: De gouden plaat met vaste afmetingen 400 x 150 pm2 relatief moeilijker te snijden dan de PDMS materiaal. Daarom de PDMS microkanaal van de wafel te verwijderen, wordt een scheermesje gebruikt voor het snijden van een groter stuk dan de gouden plaat. Na het combineren van de twee delen, moet de overtollige delen van de PDMS opzichte van de gouden plaat dan worden gesneden, waardoor de binnenkant van het kanaal vanaf de zijkant behulp van een microscoop (figuur 4a) kan worden waargenomen. Echter, het snijvlak, dat wordt gebruikt als een venster, een hoge oppervlakteruwheid en bijgevolg produceert troebel afbeeldingen van de deeltjes die stromen in het kanaal (fig4b). Coating met de PDMS oplossing wordt opnieuw uitgevoerd om dit probleem op te lossen.

  1. Bereid de PDMS oplossing door mengen van de PDMS basis en verharder bij een 10: 1 verhouding en roer gedurende 2 min.
  2. Pour 2 ml van de PDMS oplossing in de petrischaal en voer de spinbekleding gedurende 30 seconden bij 1.000 rpm (figuur 4c).
  3. Plaats de microchip oppervlak zal worden op de microscoop op de petrischaal (figuur 4d). Plaats de petrischaal in de oven gedurende 1 uur bij 80 ° C om de PDMS oplossing stollen.
  4. Snijd de rand van de microchip en PDMS met behulp van een scheermesje en daarna los te maken van de petrischaal (figuren 4e, f).

5. Laser koppeling met de SMF-kabel Steek de Microchip

Opmerking: Voor het plasmonische pincet systeem wordt een optische vezel incident laser met een golflengte 1064 nm gebruikt. De SMF kabel wordt gebruikt omdat de diameter van de incident laser (5 mm) is veel te groot om de laserstraal emitteren bij de nanohole gefreesd goud blok (400 x 150 pm2) in de microchip. De manteldiameter van de SMF kabel 125 urn. Zo mag de invallende laser en SMF kabel gekoppeld.

  1. Sluit een 40X objectief naar de microscoop objectief te monteren op de SMF koppeling. Bevestig de SMF kabel aan de vezelklem van de SMF koppelaar. Richt de invallende laserbundel achterin apertuur van de objectieflens te vullen.
  2. Focus van de laserstraal op de kern van de SMF kabel door aanpassing van de drieassige handmatige fase voorzien op de SMF koppeling.
  3. Plaats het andere uiteinde van de kabel in de SMF SMF kabelopening van de microchip. Meet het laservermogen voorafgaand aan het inbrengen aan de rand van de vezelkabel, omdat de vaste vezelkabel op de microchip niet te nemen.
  4. Dicht de SMF kabelopening via epoxylijm om lekkage van de stromende deeltjes oplossing uit de spleet tussen de SMF cabine blokkerenle opening (300 pm) en de bekleding van de SMF kabel (125 um); het einde van de ingebrachte vezelkabel mag het microkanaal niet in de fluïdumstroom te voorkomen. Handmatig uitlijnen van de vezelkabel met behulp van visuele feedback, zodat deze loodrecht op de goud blok dat nanohole gastheren.

6. Plasmonische Trapping van Single Fluorescent polystyreen Particle in de Microchip

  1. Bevestig de injectiespuit, die is gevuld met de deeltjes oplossing met een injectiespuit micropomp. Plaats het deksel glas op het monster etappe van de fluorescentiemicroscoop. Verbinden pijpen naar de inlaat / uitlaatgaten van de microchip. Plaats de PDMS-beklede chip oppervlak bovenop het dekglas.
  2. Plaats de microchip loodrecht op de 60X water immersie objectief en houdt de binnenkant van het kanaal met de camera op de fluorescentiemicroscoop geïnstalleerd. Gebruik transparante tape aan de microchip in plaats vast te zetten. Sluit de inlaatbuis van de microchip met de injectiespuit needle.
  3. Plaats het deeltje oplossing voor de microchip door regeling van de micropomp 20 um / s. Momenteel, bevestigen dat de fluorescerende deeltjes goed worden waargenomen in het kanaal wanneer de fluorescentielamp wordt ingeschakeld.
  4. Wacht totdat het deeltje oplossing verlaat de uitlaat van de microchip. Toerentalniveau 3,4 um / s.
  5. Draai de laserbron zodat de laser in de nanohole uitzendt; de fluorescerende deeltjes worden opgesloten in de rand van de nanohole.
  6. Ramp de fluïdumsnelheid in stappen van 0,4 um / s door regeling van de micropomp totdat de gevangen deeltjes ontsnapt. Meet de vloeistof snelheid bij de gevangen deeltjes te ontsnappen. Het verkrijgen van de maximale vangst kracht voor elke laser intensiteit met deze gemeten fluïdumsnelheid.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Het fabricageproces van de PDMS microkanaal en nanohole gouden plaat is weergegeven in figuren 1 en 2. De methode om de twee delen samen de werkelijke microchip is weergegeven in figuur 3. De PDMS werd gesneden aan de binnenzijde van het kanaal zichtbaar vanaf de zijde van de microchip. Het was echter moeilijk de deeltjes stroomt in het kanaal als gevolg van de oppervlakteruwheid van het snijvlak te observeren. Daarom introduceerden we de PDMS coating methode om dit probleem op te lossen, zie figuur 4.

Wij namen 5-um, stroomt polystyreendeeltjes in de microchip om het effect van de coating PDMS bevestigen. Figuur 5 toont de actuele vervaardigd microchip en deeltjes waargenomen in de microchip met de microscoop. Figuur 5a en c voor en na appearances van de microchip. Figuur 5b en d de vergrote oppervlakken van elk. Figuur 5e toont wazig deeltjes stromen, terwijl Figuur 5f toont dat de randen van de deeltjes met name duidelijk en bewegingen kunnen worden gevolgd. Zoals boven het PDMS bekleding van de microchip oppervlak is essentieel voor de controle van gevangen deeltjes.

Figuur 6 toont de 100-nm polystyreendeeltje ondergaan plasmon optische trapping het plasmonische pincet systeem. Een SMF kabel met een 0,14 numerieke apertuur (NA) gebruikt. Een buis werd opgenomen bij de inlaat / uitlaatgaten van de microchip kanaal. Een micropomp gebruikt om in te voegen en het verzamelen van de 100-nm fluorescerende polystyreendeeltje oplossing. Naar het inwendige uiterlijk van de gevangen deeltjes te benadrukken door de plasmonische fenomeen, hebben de onderbroken delen van figuur 6a vergroot als bijvoegsel,

Figuur 7 achtereenvolgende beelden waarbij een 100 nm fluorescentie polystyreendeeltje die stroomde in het microkanaal werd ingevangen en afgegeven aan de nanohole de intensiteit van 0,42 mW / pm2. De deeltjes stroomde met een constante snelheid van 3,4 um / s in de vloeistof richting, zoals getoond in figuur 7a. Nadat de laser is ingeschakeld, een van de deeltjes is opgesloten in het nanohole, zie figuur 7b. Integendeel, een deeltje stroomde in de stroom, zoals getoond in figuur 7c. Vervolgens werd de stroomsnelheid verhoogd tot de gevangen deeltje ontsnapt. Figuur 7d toont de paArtikel ontsnapt uit de val. Op dit moment kunnen we het invangen kracht directe observatie schatting door het meten van de fluïdumsnelheid bij het deeltje ontsnapt. We werkte ook in de tegenovergestelde richting. In plaats van het verhogen van de fluïdumsnelheid, we degressief het laservermogen in afnames van 1 mW en nam de intensiteit wanneer het deeltje ontsnapt. Deze laser intensiteit wordt gedefinieerd als de minimale trapping laser intensiteit werd gemeten 0,24 mW / pm2 zijn.

Figuur 1
Figuur 1. Fabricage van de PDMS microkanaal. (A) Bereiding van de Si-wafel. (B) fotoresist spincoaten van de wafer. (C) Vervaardigd microkanaal matrijs door fotolithografisch proces. (D) PDMS stollen met behulp van een oven na het gieten de PDMS oplossing op de wafel. (e) PDMS microkanaal snijden. (F) PDMS microkanaal onthechting van de wafel. (G) / uittrede en SMF kabelboring geperforeerd op de PDMS microkanaal. (H) Werkelijke vast PDMS op de wafer. (I) Werkelijke vrijstaande PDMS microkanaal. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figuur 2
Figuur 2. Fabricage van de nanohole op de gouden plaat na het etsproces. (A) Depositie van Au en Ti op het glas. (B) fotoresist spincoaten van de gouden plaat. (C) opgeloste fotoresist verwijderd na blootstelling UV licht. (D) Au etsen. (E) Ti etsen. (F) resterende fotoresist re Scheiden. (G) Nanohole malen met een gefocusseerde ionenbundel op de gouden blok. (H) Werkelijke vervaardigd goud blok. (I) Werkelijke gefreesd nanohole op de gouden blok. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

figuur 3
Figuur 3. Montage werkwijze volgens de microchip. (A) Bevestig de PDMS microkanaalplaat en gouden plaat aan de maskerhouder en de substraathouder, respectievelijk voorzien op de aligner. (B) combinatie van het PDMS microkanaal gedeelte en de gouden plaat na oppervlaktebehandeling met O2 plasma. (C, d) gemonteerd microchip na combinatie. (E) verwijdering van overmaat van het PDMS microkanaal.ce.jove.com/files/ftp_upload/55258/55258fig3large.jpg" target = '_ blank'> Klik hier om een ​​grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

figuur 4
Figuur 4. Werkwijze oppervlakteruwheid verbetering met PDMS coating. (A) Verwijder overmaat behulp van een scheermesje na het combineren van de twee delen. (B) Ruw oppervlak van de chip na het snijden. (C) PDMS oplossing spincoating in een petrischaal. (D) Dompelen het raamoppervlak van de microchip in de spin-coating PDMS oplossing. (E)-PDMS gecoate microchip onthechting van de petrischaal. (F) verbetering van de oppervlakteruwheid PDMS coating. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.


Figuur 5. Gemonteerd microchip en observatie van 5-um polystyreendeeltjes in het microkanaal voor en na PDMS coating. (A, b) Microchip voor PDMS coating en vergroting. (C, d) Microchip na PDMS coating en vergroting. (E, f) Waarneming van deeltjes in het microkanaal voor en na PDMS coating. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

figuur 6
Figuur 6. ontworpen plasmon pincet systeem. (A) Schema van de plasmonische pincet systeem. (b Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

figuur 7
Figuur 7. vangen en vrijgeven van een 100 nm-fluorescentie polystyreendeeltje in het microkanaal. (A) Het microkanaal met een deeltje stroomt in de stroom. (B, c) gevangen deeltjes op nanohole opzichte van een ander deeltje. (D) Particle dat ontsnapt uit de val als gevolg van de toegenomen kracht fluïdum. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De SMF kabel werd ingevoegd in de SMF kabelgat de microchip, zoals in de rechthoekige stip van figuur 6a. Omdat de SMF kabelgat groter dan de kabeldiameter, werd epoxylijm gebruikt om het gat af te dichten om de lekkage van de stromende deeltjes oplossing blokkeren. Vóór het aanbrengen van epoxylijm, moet het goud blok kabelrand coaxiaal uitgelijnd met de hand met behulp van een microscoop. Hoewel het ideaal voor de ingebrachte kabelrand en nanohole coaxiaal uitgelijnd, kan een kleine speling getolereerd omdat de laserbundel divergeert zodra deze wordt uitgezonden vanaf het einde van de 0,14 NA SMF kabelrand en de bundel treft een veel grotere regio. Omdat de microchip is geconfigureerd loodrecht op de optische as van de microscoop te zijn, wij konden niet direct de plaatsing van de nanohole observeren. De locatie van het nanohole kan slechts indirect worden bepaald door het waarnemen van de locatie van de plasmonically ingevangen deeltjes in de nanohole. EENoplossing kan worden verschaft door het installeren van een camera op de vezelkabel en het te gebruiken om het goud blok volgen.

De kenmerkende eigenschap van de microchip is de mogelijkheid om beweging van de deeltjes in de buurt van de plasmonische nanohole in real time te volgen. De beweging van het deeltje volgt de hieronder beschreven scenario. Wanneer de vloeistof stroomt uit de deeltjes, sommige deeltjes bewegen naar de gouden blok. In sommige gevallen, een deeltje komt met name nabij de rand van de nanohole gevolg van de aantrekkingskracht nanohole en uiteindelijk wordt geïmmobiliseerd. Op dat ogenblik is de optische kracht uitgeoefend op het deeltje groter is dan de kracht fluïdum. Vervolgens wordt het geïmmobiliseerde deeltje ontsnapt uit de nanohole rand wanneer de fluïdumsnelheid toeneemt; waardoor het fluïdum kracht sterker dan de optische kracht. De maximale trapping kracht kan worden gemeten vanaf deze terminal fluïdumsnelheid. Echter, de gebruikelijke sleepkracht vergelijking niet worden gebruikt omdat het deeltje in fysiek contact met de goude muur van de nanohole. Het oppervlakte-effect van de gouden wand beschouwen, gebruikten we de eindige-elementenmethode, waarbij de vloeistofbeweging nabij het oppervlak acht en verkregen de vloeistof kracht.

We hebben een nieuwe plasmonische pincet setup dat de monitoring van deeltje dynamiek langs de laserstraal as maakt geïntroduceerd. Daarentegen eerdere studies alleen kunnen worden deeltjesbeweging in het vlak loodrecht op de laserstraal as, zoals bij de nanoblock 12, nanodisk 13, 14, 19, 21, 20 nanoStick en nanopyramid 18. Voorts bij nanohole types, trapping kan alleen worden gezien door het bewaken van de strooisignaal, en niet door visuele controle 10, 11, 23. Echter,We konden niet precies het deeltje positie te meten vanwege de beperkte mogelijkheden van de huidige beeldvormingstechnieken. De beeldkwaliteit moet verder worden verbeterd om de exacte dislocatie metingen bevestigen. Deze techniek kan worden toegepast bij het karakteriseren en biosensoren van een enkel molecuul.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Dit werk werd ondersteund door de ICT-R & D-programma van MSIP / IITP (R0190-15-2040, Ontwikkeling van een inhoud configuratie management-systeem en een simulator voor 3D printen met behulp van slimme materialen).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Negative photoresist  MicroChem SU-8 2075
Developer MicroChem SU-8 Developer
Positive photoresist  Merck Ltd. AZ GXR-601
AZ Photoresist Developers Merck Ltd. AZ 300 MIF
HMDS Merck Ltd. AZ Adhesion Promoter
Aligner Midas System MDA 400M
Atmospheric plasma machine  Atmospheric Process
Plasma Co.		 IDP-1000
Polydimethylsiloxane (PDMS) Dow Corning Sylgard 184 A/B
Gold coated test slides EMF Co. TA124(Ti/Au)
Au etchant  Transene Inc. TFA
Ti etchant  Transene Inc. TFT
40X objective lens  Edmund Optics 40X DIN
60X water immersion
objective lens 		 Olympus LUMPLFLN 60XW
Optical fiber incident laser  IPG Photonic YLR 10
SMF coupler Thorlabs MBT612D/M
Syringe micropump Harvard PC2 70-4501
Fluorescent microscope  Olympus IX-51
Plasma system Femto Science Inc CUTE-MPR

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Crane, N. B., Onen, O., Carballo, J., Ni, Q., Guldiken, R. Fluidic assembly at the microscale: progress and prospects. Microfluid. Nanofluid. 14 (3), 383-419 (2013).
  2. Yao, B., Luo, G. A., Feng, X., Wang, W., Chen, L. X., Wang, Y. M. A microfluidic device based on gravity and electric force driving for flow cytometry and fluorescence activated cell sorting. Lab Chip. 4 (6), 603-607 (2004).
  3. Zhang, K., et al. On-chip manipulation of continuous picoliter-volume superparamagnetic droplets using a magnetic force. Lab Chip. 9 (20), 2992-2999 (2009).
  4. Park, I. Y., Sung, S. Y., Lee, J. H., Lee, Y. G. Manufacturing micro-scale structures by an optical tweezers system controlled by five finger tips. J. Micromech. Microeng. 17, N82-N89 (2007).
  5. Kim, J. D., Hwang, S. U., Lee, Y. G. Traceable assembly of microparts using optical tweezers. J. Micromech. Microeng. 22, 105003 (2012).
  6. Kim, J. D., Lee, Y. G. Construction and actuation of a microscopic gear assembly formed using optical tweezers. J. Micromech. Microeng. 23, 065010 (2013).
  7. Kim, J. D., Choi, J. H., Lee, Y. G. A measurement of the maximal forces in plasmonic tweezers. Nanotechnology. 26 (42), 425203 (2015).
  8. Kim, J. D., Lee, Y. G. Trapping of a single DNA molecule using nanoplasmonic structures for biosensor applications. Biomed. Opt. Express. 5 (8), 2471-2480 (2014).
  9. Quidant, R. Plasmonic tweezers - the strength of surface plasmons. MRS Bull. 37 (8), 739-744 (2012).
  10. Juan, M. L., Gordon, R., Pang, Y., Eftekhari, F., Quidant, R. Self-induced back-action optical trapping of dielectric nanoparticles. Nat. Phys. 5, 915-919 (2009).
  11. Pang, Y., Gordon, R. Optical trapping of 12 nm dielectric spheres using double-nanoholes in a gold film. Nano Lett. 11 (9), 3763-3767 (2011).
  12. Tanaka, Y., Kaneda, S., Sasaki, K. Nanostructured potential of optical trapping using a plasmonic nanoblock pair. Nano Lett. 13 (5), 2146-2150 (2013).
  13. Kang, J. H., et al. Low-power nano-optical vortex trapping via plasmonic diabolo nanoantennas. Nat. Commun. 2, 582 (2011).
  14. Roxworthy, B. J., et al. Application of plasmonic bowtie nanoantenna arrays for optical trapping, stacking, and sorting. Nano Lett. 12 (2), 796-801 (2012).
  15. Shoji, T., Tsuboi, Y. Plasmonic optical tweezers toward molecular manipulation: tailoring plasmonic nanostructure, light source, and resonant trapping. J. Phys. Chem. Lett. 5 (17), 2957-2967 (2014).
  16. Pang, Y., Gordon, R. Optical trapping of a single protein. Nano Lett. 12 (1), 402-406 (2012).
  17. Tsuboi, Y., et al. Optical trapping of quantum dots based on gap-mode-excitation of localized surface plasmon. J. Phys. Chem. Lett. 1, 2327-2333 (2010).
  18. Shoji, T., et al. Permanent fixing or reversible trapping and release of DNA micropatterns on a gold nanostructure using continuous-wave or femtosecond-pulsed near-infrared laser light. J. Am. Chem. Soc. 135 (17), 6643-6648 (2013).
  19. Grigrenko, A. N., Roberts, N. W., Dickson, M. R., Zhang, Y. Nanometric optical tweezers based on nanostructured substrates. Nat. Photonics. 2, 365-370 (2008).
  20. Righini, M., et al. Nano-optical trapping of rayleigh particles and escherichia coli bacteria with resonant optical antennas. Nano Lett. 9 (10), 3387-3391 (2009).
  21. Chen, K. Y., Lee, A. T., Hung, C. C., Huang, J. S., Yang, Y. T. Transport and trapping in two-dimensional nanoscale plasmonic optical lattice. Nano Lett. 13 (9), 4118-4122 (2013).
  22. Berthelot, J., et al. Three-dimensional manipulation with scanning near-field optical nanotweezers. Nat. Nanotechnol. 9 (4), 295-299 (2014).
  23. Chen, C., et al. Enhanced optical trapping and arrangement of nano-objects in a plasmonic nanocavity. Nano Lett. 12 (1), 125-132 (2011).
  24. Wang, K., Schonbrun, E., Steinvurzel, P., Crozier, K. B. Trapping and rotating nanoparticles using a plasmonic nano-tweezer with an integrated heat sink. Nat. Commun. 2, 469 (2011).
  25. Byun, D., Cho, S. J., Kim, S. Fabrication of a flexible penetrating microelectrode array for use on curved surfaces of neural tissues. J. Micromech. Microeng. 23, 125010 (2013).

Tags

Techniek plasmonics plasmonische pincet optische trapping optische krachten microfluidics nanohole immobilisatie van nanodeeltjes
Plasmonische Trapping en het vrijkomen van nanodeeltjes in een Monitoring Milieu
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kim, J. D., Lee, Y. G. Plasmonic… More

Kim, J. D., Lee, Y. G. Plasmonic Trapping and Release of Nanoparticles in a Monitoring Environment. J. Vis. Exp. (122), e55258, doi:10.3791/55258 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter